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JP-2026515024-A - アセトンのバイオテクノロジーによる生成

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Abstract

アセトンのバイオテクノロジーによる生成 本発明は、微生物発酵によりガス組成物からアセトンを製造する方法であり、 少なくとも１種の遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌を、少なくともＣＯ、ＣＯ ２ 、Ｈ ２ およびＣＨ ４ を含むガス組成物と直接接触させ、 前記ガス組成物が少なくとも１種の水蒸気メタン改質装置からのオフガスであり、前記水蒸気メタン改質装置からの前記オフガスを、前記遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌と直接接触させ、 前記ホモ酢酸生成細菌が、前記ガス組成物からアセトンを生成するように遺伝子改変されている、方法に関する。 【選択図】なし

Inventors

  • ヤン ベネディクト メッテルニヒ
  • ヨルク ヨアヒム ニッツ
  • シモン ベック
  • ステファン コールストルク
  • ウィルフリート ブリュムケ
  • ペーター クライス

Assignees

  • エボニック オペレーションズ ゲーエムベーハー

Dates

Publication Date
20260513
Application Date
20240502
Priority Date
20230511

Claims (15)

  1. 微生物発酵によりガス組成物からアセトンを製造する方法であり、 少なくとも１種の遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌を、少なくともＣＯ、ＣＯ ２ 、Ｈ ２ およびＣＨ ４ を含むガス組成物と直接接触させ、 前記ガス組成物が少なくとも１種の水蒸気メタン改質装置からのオフガスであり、前記水蒸気メタン改質装置からの前記オフガスを、前記遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌と直接接触させ、 前記ホモ酢酸生成細菌が、前記ガス組成物からアセトンを生成するように遺伝子改変されている、方法。
  2. 前記ホモ酢酸生成細菌が、下記の酵素： ‐チオラーゼ（ＴｈｌＡ）（Ｅ．Ｃ．２．３．１．９）、 ‐ＣｏＡトランスフェラーゼ（ＣｔｆＡＢ）（ＥＣ ２．８．３．８）および／または ‐アセトアセテートデカルボキシラーゼ（Ａｄｃ）（ＥＣ ４．１．１．４） のうちの少なくとも１つの発現を、その野生型と比較して増大させるように遺伝子改変され、および／または 少なくとも ‐第二級アルコールデヒドロゲナーゼ（ｓＡｄｈ）（ＥＣ １．１．１．１） の発現を、その野生型と比較して減少させるように遺伝子改変されている、請求項１記載の方法。
  3. 前記水蒸気メタン改質装置からの前記オフガスを、追加の前処理工程および／または洗浄工程を経ることなく、前記遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌と直接接触させる、請求項１または請求項２記載の方法。
  4. 遺伝子改変されるべき前記ホモ酢酸生成細菌が、Acetoanaerobium notera (ATCC 35199)、Acetonema longum (DSM 6540)、Acetobacterium carbinolicum (DSM 2925)、Acetobacterium malicum (DSM 4132)、Acetobacterium属no. 446、 Acetobacterium wieringae (DSM 1911)、Acetobacterium woodii (DSM 1030)、Alkalibaculum bacchi (DSM 22112)、Archaeoglobus fulgidus (DSM 4304)、Blautia producta (DSM 2950)、Butyribacterium methylotrophicum (DSM 3468)、Clostridium aceticum (DSM 1496)、Clostridium autoethanogenum (DSM 10061,)、Clostridium carboxidivorans (DSM 15243)、Clostridium drakei (ATCC BAA-623)、Clostridium formicoaceticum (DSM 92)、Clostridium glycolicum (DSM 1288)、Clostridium ljungdahlii (DSM 13528)、Clostridium mayombei (DSM 6539)、Clostridium methoxybenzovorans (DSM 12182 [SR3])、Clostridium ragsdalei (DSM 15248)、Clostridium scatologenes (DSM 757)、Clostridium属ATCC 29797、Desulfotomaculum kuznetsovii (DSM 6115)、Desulfotomaculum thermobezoicum亜種、thermosyntrophicum (DSM 14055)、Eubacterium limosum (DSM 20543)、Methanosarcina acetivorans C2A (DSM 2834)、Moorella属HUC22-1、Moorella thermoacetica (DSM 521)、Moorella thermoautotrophica (DSM 1974)、Oxobacter pfennigii (DSM 3222)、Sporomusa aerivorans (DSM 13326)、Sporomusa ovata (DSM 2662)、Sporomusa silvacetica (DSM 10669)、Sporomusa sphaeroides (DSM 2875)、Sporomusa termitida (DSM 4440)、およびThermoanaerobacter kivui (DSM 2030)からなる群から選択される、請求項１～請求項３のいずれか一項記載の方法。
  5. 前記ホモ酢酸生成細菌が、Clostridium autoethanogenum (DSM 10061)、Clostridium ljungdahlii (DSM 13528)、Clostridium carboxidivorans (DSM 15243)、Acetobacterium woodii (DSM 1030)、Clostridium ragsdalei (DSM 15248)、Clostridium drakei (ATCC BAA-623)、Moorella thermoacetica (DSM 521)、Moorella thermoautotrophica (DSM 1974)、Sporomusa silvacetica (DSM 10669)、およびAlkalibaculum bacchi (DSM 22112)からなる群から選択される、請求項１～請求項４のいずれか一項記載の方法。
  6. 前記ガス組成物がさらにＮ ２ 、Ｏ ２ 、およびＨ ２ Ｓを含む、請求項１～請求項５のいずれか一項記載の方法。
  7. 前記ＣＯ ２ が３５～６５体積％の範囲であり、前記Ｈ ２ が２０～４０体積％の範囲であり、前記ＣＯが５～２０体積％の範囲であり、および／または前記ＣＨ ４ が０．０１～２０体積％の範囲である、請求項１～請求項６のいずれか一項記載の方法。
  8. 前記Ｏ ２ 濃度が０．０００００５～１体積％の範囲であり、および／または前記Ｈ ２ Ｓ濃度が０．０００００００１～０．０００１体積％の範囲である、請求項６または請求項７記載の方法。
  9. 前記ホモ酢酸生成細菌が、遺伝子改変されたClostridium autoethanogenumまたはClostridium ljungdahliiである、請求項１～請求項８のいずれか一項記載の方法。
  10. （ａ）前記水蒸気メタン改質装置から前記オフガスの流れを受け取る工程を有する、請求項１～請求項９のいずれか一項記載の方法。
  11. 微生物発酵によりガス状組成物からアセトンを製造する装置であり、 （ｉ）少なくともＣＯ、ＣＯ ２ 、Ｈ ２ およびＣＨ ４ を含む水蒸気メタン改質装置からのオフガス流を連続的に供給するための前記ガス状組成物供給源、 （ｉｉ）前記水蒸気メタン改質装置からの前記オフガスを受け取るためのバイオリアクター入口、 （ｉｉｉ）遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌の培養物を含むバイオリアクター、 （ｉｖ）前記ホモ酢酸生成細菌と接触した後の前記オフガスを排出するためのバイオリアクター出口 を備え、 前記供給源は、前記水蒸気メタン改質装置から直接得られた前記ガス状組成物を供給し、 前記ホモ酢酸生成細菌は、前記ガス状組成物からアセトンを生成するように遺伝子改変されている、装置。
  12. アセトンを生成するための、水蒸気メタン改質装置からのオフガスの使用であり、 前記オフガスは、少なくともＣＯ、ＣＯ ２ 、Ｈ ２ およびＣＨ ４ を含み、かつ、少なくとも１種の遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌と直接接触させられ、 前記ホモ酢酸生成細菌は、ガス組成物からアセトンを生成するように遺伝子改変されている、使用。
  13. 前記遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌が、Acetoanaerobium notera (ATCC 35199)、Acetonema longum (DSM 6540)、Acetobacterium carbinolicum (DSM 2925)、Acetobacterium malicum (DSM 4132)、Acetobacterium属no. 446、Acetobacterium wieringae (DSM 1911)、Acetobacterium woodii (DSM 1030)、Alkalibaculum bacchi (DSM 22112)、Archaeoglobus fulgidus (DSM 4304)、Blautia producta (DSM 2950)、Butyribacterium methylotrophicum (DSM 3468)、Clostridium aceticum (DSM 1496)、Clostridium autoethanogenum (DSM 10061)、Clostridium carboxidivorans (DSM 15243)、Clostridium drakei (ATCC BAA-623)、Clostridium formicoaceticum (DSM 92)、Clostridium glycolicum (DSM 1288)、Clostridium ljungdahlii (DSM 13528)、Clostridium mayombei (DSM 6539)、Clostridium methoxybenzovorans (DSM 12182 [SR3])、Clostridium ragsdalei (DSM 15248)、Clostridium scatologenes (DSM 757)、Clostridium属ATCC 29797、Desulfotomaculum kuznetsovii (DSM 6115)、Desulfotomaculum thermobezoicum亜種、thermosyntrophicum (DSM 14055)、Eubacterium limosum (DSM 20543)、Methanosarcina acetivorans C2A (DSM 2834)、Moorella属HUC22-1、Moorella thermoacetica (DSM 521)、Moorella thermoautotrophica (DSM 1974)、Oxobacter pfennigii (DSM 3222)、Sporomusa aerivorans (DSM 13326)、Sporomusa ovata (DSM 2662)、Sporomusa silvacetica (DSM 10669)、Sporomusa sphaeroides (DSM 2875)、Sporomusa termitida (DSM 4440)、およびThermoanaerobacter kivui (DSM 2030)からなる群から選択される、請求項１２記載の使用。
  14. 前記オフガスまたは廃ガスがさらにＮ ２ 、Ｏ ２ 、およびＨ ２ Ｓを含む、請求項１２または請求項１３記載の使用。
  15. 前記水蒸気メタン改質装置からの前記オフガスが、追加の前処理工程および／または洗浄工程を経ることなく、前記遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌と直接接触される、請求項１２～請求項１４のいずれか一項記載の使用。

Description

本発明は、オフガスまたは廃ガスからケトンを製造するバイオテクノロジー的方法に関する。具体的には、本方法では、発酵プロセスのためにガスを前処理することなく、オフガスまたは廃ガスを適切な細菌に直接接触させてガスを発酵させる。オフガスまたは廃ガスは水蒸気メタン改質装置から得られ、そこから得られるオフガスまたは廃ガスは微生物発酵およびアセトン製造に直接導入することができる。 触媒プロセスは、主にＣＯ、ＣＯ２、水素（Ｈ２）を含むガスを様々な燃料や化学物質に変換するために用いられる。微生物もまた、これらのガスを有用な燃料や化学物質に変換するために用いられる。これらの生物学的プロセスは、一般的に化学反応よりも遅いものの、触媒プロセスに比べて、高特異性、高収率、エネルギーコストの低減、被毒に対する高耐性など、いくつかの利点がある。特に、エタノール、酢酸、および／またはその他のアルコールを生成するために、さまざまな炭素源で酢酸生成細菌を使用することはよく知られている。ＣＯを含む原料化学物質の生成における遺伝子改変生物の一般的応用は、少なくとも欧州特許第２６７８４３２号明細書に開示されている。 ガス発酵用の炭素源としての合成ガスの利用は、米国特許第８，２６３，３７２号明細書でも実証されている。欧州特許第３０５０９６８号明細書にも、合成ガスを用いた様々なアルコールの生成が開示されている。 さらに、少なくとも国際公開第２０１５／０８５０１５号パンフレット、欧州特許第２１８１１９５号明細書、国際公開第２０１０／１２１８４９号明細書、およびNature Biotechnology 2022, 40, 335-344には、遺伝子改変生物を用いて、様々なガスからアセトンおよびその他のケトンを製造する方法が開示されている。米国特許第８，３７６，７３６号明細書において、Lanzatechは、高炉オフガスをアセトン製造に用いる方法を開示している。しかしながら、高炉オフガスを発酵に使用するには、オフガスを事前冷却および前処理し、ガス流から粒子、長鎖炭化水素、およびタールを除去する必要があった。このため、オフガスからのアセトン製造にかかる時間が長くなるだけでなく、プロセスの設計と大規模生産がより複雑になり、コストも高くなった。 アセトンは工業用溶剤であり、少なくともメチルメタクリレート（ＭＭＡ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、そしてイソブチレンの原料として利用されており、これらは産業界で様々な用途に用いられている。また、アセトンはジェット燃料の製造原料としても用いられている（Anbarasan, Nature, 491 : 235-239, 2012）。 しかしながら、オフガスまたは廃ガスからアセトンを製造する現在利用可能な方法は効率が悪く、発酵のためにガスと細菌を接触させる前に、オフガスを処理するという少なくとも１つの追加工程が必要である。生産性が低く、最終生成物の濃度が低いため、生成物の精製にかかるエネルギーコストも高くなる。 欧州特許第２６７８４３２号明細書米国特許第８，２６３，３７２号明細書欧州特許第３０５０９６８号明細書国際公開第２０１５／０８５０１５号パンフレット欧州特許第２１８１１９５号明細書国際公開第２０１０／１２１８４９号明細書米国特許第８，３７６，７３６号明細書 Nature Biotechnology 2022, 40, 335-344Anbarasan, Nature, 491 : 235-239, 2012 上記は好ましい実施形態について記載したものであり、当業者には理解されるように、特許請求の範囲から逸脱することなく、設計、構成または動作において変更または修正を加えることができる。例えば、これらの変更は、特許請求の範囲に含まれるものとする。 実験例１ ＳＭＲからのオフガスを用いたClostridium ljungdahliiによるアセトンの高生産 水素、一酸化炭素および二酸化炭素をアセトンに変換する生体内変換のために、遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌としてClostridium ljungdahlii（欧州特許第２４２１９６０号明細書に基づくＧＭＯ）を水蒸気メタン改質装置からのオフガスを用いて培養した。すべての培養工程について、ブチルゴム栓で気密に密閉可能な耐圧ガラス瓶内、または撹拌タンク式ステンレス製ベンチトップバイオリアクター内において嫌気条件下で行った。 前培養では、５００ｍＬ培地（ATCC1754-培地: pH = 6.0; 20 g/L MES; 1 g/L酵母エキス, 0.8 g/L NaCl; 1 g/L NH4Cl; 0.1 g/L KCl; 0.1 g/L KH2PO4; 0.2 g/L MgSO4×7 H2O; 0.02 g/L CaCl2×2 H2O; 20 mg/L ニトリロ三酢酸; 10 mg/L MnSO4×H2O; 8 mg/L (NH4)2Fe(SO4)2×6 H2O; 2 mg/L CoCl2×6 H2O; 2 mg/L ZnSO4×7 H2O; 0.2 mg/L CuCl2×2 H2O; 0.2 mg/L Na2MoO4×2 H2O; 0.2 mg/L NiCl2×6 H2O; 0.2 mg/L Na2SeO4; 0.2 mg/L Na2WO4×2 H2O; 20 μg/L d-ビオチン; 20 μg/L 葉酸; 100 μg/L ピリドキシン-HCl; 50 μg/L チアミン-HCl×H2O; 50 μg/L リボフラビン; 50 μg/L ニコチン酸; 50 μg/L パントテン酸カルシウム; 1 μg/L ビタミンB12; 50 μg/L p-アミノ安息香酸; 50 μg/L リポ酸; およそ67.5 mg/L NaOH）に、４００ｍｇ／ＬのＬ－システイン塩酸塩と４００ｍｇ／ＬのＮａ２Ｓ×９ Ｈ２Ｏとを加え、C. ljungdahlii GMOの凍結ストック２．５μＬを接種した。１Ｌ耐圧ガラス瓶を用いて、３７℃、１５０ｒｐｍ、換気速度１Ｌ／時間の条件で、水蒸気メタン改質装置からの混合ガス（ＣＯ２：４９％、Ｈ２：３０％、ＣＯ：１０．２％、ＣＨ４：１０．２％、Ｎ２：０．７％、Ｈ２Ｓ：１００ｐｐｂ、Ｏ２：１０ｐｐｍ）を開放型ウォーターバスシェーカーで６６時間、chemolithoautotrophic培養した。ガスを、リアクター中央に設置された孔径１０μｍのスパージャーを通して培地に排出した。培養はｐＨ制御なしで行った。 主培養では、ＯＤ６００ｎｍを０．１とするために必要な数の細胞を、前培養から５００ｍＬ新鮮培地に移した。主培養では、ＬＭ３３ミネラル培地（pH = 5.8, 0.5 g/L MgCl2, 0.21 g/L NaCl, 0.135 g/L CaCl2 × 2H2O, 2.65 g/L NaH2PO4 × 2H2O, 0.5 g/L KCl, 2.5 g/L NH4Cl, 15 mg/L ニトリロ三酢酸, 30 mg/L MgSO4× 7 H2O, 5 mg/L MnSO4 × H2O, 1 mg/L FeSO4 × 7 H2O, 8 mg/L Fe(SO4)2(NH4)2 × 6 H2O, 2 mg/L CoCl2 × 6 H2O, 2 mg/L ZnSO4 × 7 H2O, 200 μg/L CuCl2 × 2 H2O, 200 μg/L KAl(SO4)2× 12 H2O, 3 mg/L H3BO3, 300 μg/L Na2MoO4 × 2 H2O, 200 μg/L Na2SeO3, 200 μg/L NiCl2 × 6 H2O, 200 μg/L Na2WO4 × 6 H2O, 200 μg/L d-ビオチン, 200 μg/L葉酸, 100 μg/L ピリドキシン-HCl, 500 μg/L チアミン-HCl; 500 μg/L リボフラビン; 500 μg/Lニコチン酸; 500 μg/L パントテン酸カルシウム; 500 μg/L ビタミンB12; 500 μg/L p-アミノ安息香酸; 500 μg/Lリポ酸, 10 mg/L FeCl3, 水蒸気メタン改質装置のオフガス混合物で30分間曝気）に、５００ｍｇ／ＬのＬ－システイン塩酸塩を加えて使用した。 １Ｌ耐圧ガラス瓶を用いて、３７℃、１５０ｒｐｍ、換気速度１Ｌ／時間で、水蒸気メタン改質装置からの混合ガス（ＣＯ２：４９％、Ｈ２：３０％、ＣＯ：１０．２％、ＣＨ４：１０．２％、Ｎ２：０．７％、Ｈ２Ｓ：１００ｐｐｂ、Ｏ２：１０ｐｐｍ）を開放型ウォーターバスシェーカーで１６４時間、chemolithoautotrophic培養した。ガスを、リアクター中央に設置された孔径１０μｍのスパージャーを通して培地に排出した。ｐＨに関し、Ｔｉｔｒｉｎｏ ｐＨ制御システム（Ｍｅｔｈｒｏｍ社、スイス）で１００ｇ／ＬのＮａＯＨ溶液を自動添加することにより、５．０に維持した。培養中、ＯＤ６００ｎｍ、ｐＨ、および生成物生成を判定するために、５ｍＬの試料を数回採取した。生成物濃度の測定は、半定量１Ｈ－ＮＭＲ法により行った。内部標準として、トリメチルシリルプロピオン酸ナトリウム（Ｔ（Ｍ）ＳＰ）を使用した。 ＬＭ３３培地での主培養中、エタノール濃度を０ｇ／Ｌから２ｇ／Ｌ超に、酢酸濃度を０ｇ／Ｌから０．５ｇ／Ｌ超に、アセトン濃度を０ｇ／Ｌから２ｇ／Ｌ超に上昇させた。ＯＤ６００ｎｍは、培養１００時間後に最大値＞２に達した。 実験例２ ＳＭＲからのオフガスを用いたAcetobacterium woodiiによるアセトン生産 水素、一酸化炭素および二酸化炭素をアセトンに変換する生体内変換のために、遺伝子改変ホモ酢酸生成細菌としてAcetobacterium woodii（欧州特許第２４２１９６０号明細書に基づくＧＭＯ）を水蒸気メタン改質装置からのオフガスを用いて培養した。すべての培養工程について、ブチルゴム栓で気密に密閉可能な耐圧ガラス瓶内、または撹拌タンク式ステンレス製ベンチトップバイオリアクター内において嫌気条件下で行った。 前培養では、５００ｍＬ培地（DSMZ135-培地: pH = 8.2; 1.0 g/L NH4Cl; 0.33 g/L KH2PO4; 0.45 g/L K2HPO4; 0.1 g/L MgSO4 × 7 H2O; 2.0 g/L酵母エキス; 500 mg/L L-システイン-HCL × H2O; 500 mg/L Na2S × 9 H2O; 10 g/L NaHCO3; 30 mg/L ニトリロ三酢酸; 60 mg/L MgSO4× 7 H2O; 10 mg/L MnSO4 × H2O; 20 mg/L NaCl; 2 mg/L FeSO4× 7 H2O; 3.6 mg/L CoSO4 × 7 H2O; 2 g/L CaCl2 × 2 H2O; 3.6 mg/L ZnSO4 × 7 H2O; 0.2 mg/L CuSO4 × 7 H2O; 0.4 mg/L KAl(SO4)2 × 12 H2O; 0.2 mg/L H3BO3; 0.2 mg/L Na2MoO4 × 2 H2O; 0.6 mg/L NiCl2 × 6 H2O; 6 μg/L Na2SeO3× 5 H2O; 40 μg/L d-ビオチン; 40 μg/L葉酸; 200 μg/L ピリドキシン-HCl; 100 μg/L チアミン-HCl × H2O; 100 μg/L リボフラビン; 100 μg/L ニコチン酸; 100 μg/L パントテン酸カルシウム; 2 μg/L ビタミンB12; 100 μg/L p-アミノ安息香酸; 100 μg/Lリポ酸）に、A. woodii GMOの凍結ストック２．５μＬを接種した。１Ｌ耐圧ガラス瓶を用いて、３７℃、１５０ｒｐｍ、換気速度１Ｌ／時間の条件で、水蒸気メタン改質装置からの混合ガス（ＣＯ２：４９％、